JP6115047B2 - Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof - Google Patents
Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP6115047B2 JP6115047B2 JP2012193838A JP2012193838A JP6115047B2 JP 6115047 B2 JP6115047 B2 JP 6115047B2 JP 2012193838 A JP2012193838 A JP 2012193838A JP 2012193838 A JP2012193838 A JP 2012193838A JP 6115047 B2 JP6115047 B2 JP 6115047B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- conversion element
- type thermoelectric
- aluminum
- bonding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 367
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 22
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 84
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 84
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 80
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 71
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 71
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 50
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 50
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 37
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 29
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 9
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 65
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 47
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 40
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 26
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 25
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 25
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 16
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 16
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 16
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 14
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 10
- 229910021338 magnesium silicide Inorganic materials 0.000 description 10
- YTHCQFKNFVSQBC-UHFFFAOYSA-N magnesium silicide Chemical compound [Mg]=[Si]=[Mg] YTHCQFKNFVSQBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 6
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 6
- FHTCLMVMBMJAEE-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)manganese Chemical compound [Si]=[Mn]=[Si] FHTCLMVMBMJAEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 3
- UFIKNOKSPUOOCL-UHFFFAOYSA-N antimony;cobalt Chemical compound [Sb]#[Co] UFIKNOKSPUOOCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N Ethyl urethane Chemical compound CCOC(N)=O JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N Ethylene oxide Chemical group C1CO1 IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 2
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 238000009461 vacuum packaging Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MKPXGEVFQSIKGE-UHFFFAOYSA-N [Mg].[Si] Chemical compound [Mg].[Si] MKPXGEVFQSIKGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N iron silicon Chemical compound [Si].[Fe] XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000075 oxide glass Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
本発明は、熱電変換素子と電極との接合信頼性を向上させた熱電変換モジュールとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module having improved bonding reliability between a thermoelectric conversion element and an electrode, and a method for manufacturing the same.
ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールは、駆動部がない、構造が明解、メンテナンスフリー等の特長を有するが、これまではエネルギー変換効率が低いという理由から、衛星用電源等の限られた製品のみで使用されてきた。しかし、環境調和型社会の実現に向けて、廃熱を熱エネルギーとして回収する方法として注目を浴び、焼却炉、工業炉、自動車等関連製品への展開が検討されている。この様な背景から、熱電変換モジュールは、耐久性向上、変換効率の向上、低コスト化が望まれている。 The thermoelectric conversion module that converts thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect has features such as no drive unit, clear structure, and maintenance-free, but because of its low energy conversion efficiency, satellite It has been used only in limited products such as power supplies for industrial use. However, in order to realize an environmentally harmonious society, attention has been paid as a method of recovering waste heat as thermal energy, and development to related products such as incinerators, industrial furnaces, and automobiles is being studied. Against this background, thermoelectric conversion modules are desired to have improved durability, improved conversion efficiency, and reduced cost.
しかし、現在実用化されている熱電変換モジュールは、例えば特許文献1に記載されているようにビスマス−テルル系が主であり、使用温度域が300℃以下と低温に限られている。そのため、上述した工業炉や自動車等へ熱電変換モジュールを適用する場合、ビスマス−テルル系よりもさらに高温で動作可能なシリコン−ゲルマニウム系、マグネシウムシリサイド系、マンガンシリサイド系等の熱電変換素子が必要となる。
However, the thermoelectric conversion modules currently in practical use are mainly bismuth-tellurium systems as described in
ビスマス−テルル系熱電変換素子と電極は、はんだ等の軟ろう材により接合されている場合が多い。上記のような高温系熱電変換素子を軟ろう材で接合した場合、熱電変換モジュールの使用環境下で軟ろう材が溶融・流出することによって、熱電変換素子と電極の接合信頼性を低下させることが懸念される。そのため、軟ろう材を使用する場合には熱電変換モジュールの使用環境温度に制限があった。 In many cases, the bismuth-tellurium thermoelectric conversion element and the electrode are joined together by a soft brazing material such as solder. When high-temperature thermoelectric conversion elements such as those described above are joined with a soft brazing material, the joining reliability between the thermoelectric conversion element and the electrode is lowered by melting and flowing out the soft brazing material under the usage environment of the thermoelectric conversion module. Is concerned. For this reason, when the soft brazing material is used, the use environment temperature of the thermoelectric conversion module is limited.
これに対して特許文献1には、ビスマス−テルル系、又は鉛―テルル系のP型またはN型の熱電変換素子の一部とCu電極との間に、Al,MgおよびTiから成るグループのうちの一つ又はそれらの合金である介在層を設けて、耐熱性の高い硬ろうを使用することにより、熱電変換モジュールの耐熱性を高め、電極材料のCuが素子側へ拡散するのを防止して接合することが記載されている。
On the other hand,
一方、特許文献2には、軟ろう材を使用することに起因する不具合を解消するため、熱電変換素子端部がAgからなる介在層を介して、電極材と熱電変換素子が硬ろう材により接合された熱電変換モジュールについて記載されている。 On the other hand, in Patent Document 2, in order to eliminate the problems caused by using a soft brazing material, the electrode material and the thermoelectric conversion element are made of hard brazing material through an intervening layer whose thermoelectric conversion element end is made of Ag. A bonded thermoelectric conversion module is described.
また、特許文献3には、P型コバルト−アンチモン系熱電変換素子と電極部材との間、及びN型コバルト−アンチモン系熱電変換素子と電極部材との間にそれぞれAlを主成分とする薄膜層を形成してそれぞれを接合することが記載されている。 Patent Document 3 discloses a thin film layer mainly composed of Al between the P-type cobalt-antimony thermoelectric conversion element and the electrode member and between the N-type cobalt-antimony thermoelectric conversion element and the electrode member. Are formed and bonded to each other.
更に、特許文献4には、マグネシウムシリサイド系合金から成るP型熱電変換素子とN型熱電変換素子をそれぞれ、チタン又はチタン合金層、又はチタン又はチタン合金層とアルミニウム又はアルミニウム合金層とを中間層として電極との間に挟み込んで接合した構成が記載されている。
Further,
熱電変換モジュールは熱電変換素子内に温度差を与えることにより、熱を電気に変換することができる。そのため熱電変換素子と電極の接合部では、稼働環境下では熱電変換素子と電極間の線膨張係数差により接合部に応力が発生し、接合部や熱電変換素子内の破壊が懸念される。このように発生する応力は、使用環境温度が高いほど、または熱電変換素子と接合材、電極の線膨張係数差が大きいほど高くなる。特に、300℃以上の環境における使用が想定される熱電変換モジュールでは大きな課題となってくる。 The thermoelectric conversion module can convert heat into electricity by giving a temperature difference in the thermoelectric conversion element. For this reason, in the joint portion between the thermoelectric conversion element and the electrode, stress is generated in the joint portion due to the difference in the coefficient of linear expansion between the thermoelectric conversion element and the electrode in an operating environment, and there is a concern that the joint portion or the thermoelectric conversion element may be broken. The stress generated in this way becomes higher as the use environment temperature is higher, or as the difference in linear expansion coefficient between the thermoelectric conversion element, the bonding material, and the electrode is larger. In particular, a thermoelectric conversion module that is assumed to be used in an environment of 300 ° C. or higher is a big problem.
特許文献5では、p型およびn型の熱電変換素子をカーボンとNiろうを用いてMo電極へ接続し、夫々の熱電変換素子間を酸化物ガラスで接合することで温度差によって発生する熱応力を緩和するライン型熱電変換モジュールが記載されている。 In Patent Document 5, p-type and n-type thermoelectric conversion elements are connected to Mo electrodes using carbon and Ni brazing, and thermal stress generated due to a temperature difference is formed by joining each thermoelectric conversion element with oxide glass. A line-type thermoelectric conversion module that relaxes the above is described.
更に、特許文献6には、略L型のn型半導体材料とp型半導体材料を交互に所要数組み合わせ、高温側と低温側とで異なる金属材料を用いて熱間又は冷間の圧縮成形あるいは粉末冶金法によりpn接合して一体化し、連接方向に複数のpn接合部を有する熱電変換素子について記載されている。 Further, in Patent Document 6, a required number of substantially L-type n-type semiconductor materials and p-type semiconductor materials are alternately combined, and hot or cold compression molding is performed using different metal materials on the high temperature side and the low temperature side. A thermoelectric conversion element having a plurality of pn junctions in a connecting direction is described by pn junction by powder metallurgy.
上記のような熱電変換素子と電極の接合では以下のような課題が挙げられる。
(1)はんだ接合
現在主流となっている鉛フリーはんだの場合は、はんだの融点がおおよそ220〜230℃であり、高温系鉛フリーはんだにおいても融点は400℃以下であり、使用環境下で再溶融する可能性が高い。
(2)硬ろう材による接合
硬ろう材は融点が概ね600〜800℃とはんだ材よりも高く、300度以上の高温環境下で接合材として使用可能である。Agを主成分としたAgろうやAuを主成分としたAuろう等があるが、ろう材は接合強度が5〜25MPa程度であるため、接合強度が低い。さらに大気環境下では、接合部の酸化による劣化が著しく、接合信頼性の低下が懸念される。
(3)加圧による接触接続
熱電変換素子と電極の接続形態が接触であるため、接触界面の接触熱抵抗により、熱電変換モジュールの変換効率の低下が懸念される。さらに、一括加圧方式の場合は各素子間における加圧力のばらつきが素子ごとの温度ばらつきとなり、特性が低下することも考えられる。また、接触熱抵抗を低下させるために加圧力を高めた場合、熱電変換素子内へのクラックや欠けが懸念される。
(4)中間層を挟んだ接合
特許文献3及び4には、熱電変換素子と電極との間にAl又はAl合金を挟んで熱電変換素子と電極を接合することが示されている。しかし、特許文献3に記載の方法では、接合時525℃〜575℃に加熱した状態で300kg/cm2〜700 kg/cm2の圧力をかけており、熱電変換素子や接合部にクラックを発生させる恐れがある。また、特許文献4に記載されている方法でも、接合時600〜700℃に加熱した状態で数十MPaの圧力をかけており、熱電変換素子や接合部にクラックを発生させる恐れがある。
In joining the thermoelectric conversion element and the electrode as described above, there are the following problems.
(1) Solder joint
In the case of lead-free solder, which is currently the mainstream, the melting point of the solder is approximately 220-230 ° C, and even in high-temperature lead-free solder, the melting point is 400 ° C or less, and there is a possibility of remelting in the usage environment. high.
(2) Joining with brazing filler metal
The brazing filler metal has a melting point of approximately 600 to 800 ° C., which is higher than that of the solder material, and can be used as a bonding material in a high temperature environment of 300 ° C. or more. Although there are Ag brazing containing Ag as a main component and Au brazing containing Au as a main component, since the brazing material has a bonding strength of about 5 to 25 MPa, the bonding strength is low. Further, in an atmospheric environment, the deterioration of the joint due to oxidation is remarkable, and there is a concern that the joint reliability may be lowered.
(3) Contact connection by pressurization
Since the connection form of the thermoelectric conversion element and the electrode is contact, there is a concern that the conversion efficiency of the thermoelectric conversion module is lowered due to the contact thermal resistance of the contact interface. Furthermore, in the case of the collective pressurization method, the variation in the applied pressure between the elements becomes the temperature variation for each element, and the characteristics may be deteriorated. Moreover, when the applied pressure is increased in order to reduce the contact thermal resistance, there is a concern about cracks or chipping in the thermoelectric conversion element.
(4) Joining with an intermediate layer in between
更に熱電変換素子と電極の接合部では、稼働環境下で熱電変換素子と電極間の線膨張係数差により接合部に応力が発生し、接合部や熱電変換素子内の破壊が懸念される。このように発生する応力は、使用環境温度が高いほど、または熱電変換素子と接合材と電極の線膨張係数差が大きいほど大きくなる。特に、300℃以上の環境における使用が想定される熱電変換モジュールでは大きな課題となる。特許文献5ではこの課題を解決するために、カーボンとNiろうによるひずみ緩和構造を提案しているが、この接続方式では素子と電極間の熱抵抗が大きくなるため特性が低下すること、カーボンは脆い材料であるため繰り返しひずみや衝撃が発生する環境では破断の可能性があることが懸念される。 Furthermore, in the junction part of a thermoelectric conversion element and an electrode, stress generate | occur | produces in a junction part by the linear expansion coefficient difference between a thermoelectric conversion element and an electrode in an operating environment, and there exists a concern about destruction in a junction part or a thermoelectric conversion element. The stress generated in this manner increases as the use environment temperature increases or as the difference in linear expansion coefficient between the thermoelectric conversion element, the bonding material, and the electrode increases. In particular, a thermoelectric conversion module that is assumed to be used in an environment of 300 ° C. or higher is a big problem. In order to solve this problem, Patent Document 5 proposes a strain relaxation structure using carbon and nickel brazing. However, in this connection method, the thermal resistance between the element and the electrode increases, so that the characteristics deteriorate. Since it is a brittle material, there is a concern that it may break in an environment where repeated strain or impact occurs.
更に、特許文献6に記載されている発明では、金属材料を用いて熱間又は冷間の圧縮成形あるいは粉末冶金法によりpn接合して一体化形成することが記載されており、特許文献6中に明記されてはいないが、線膨張係数差により接合部に応力が発生するという問題を解消できる構成が開示されている。しかし、特許文献6では、一体化形成するための金属材料として、高温側と低温側とで異なる金属材料を用いることが記載されており、同じ材料の金属を用いることについては記載されていない。また、一体化形成した金属材料との界面をどのような接合状態にするのかについては記載されていない。更に、特許文献6には、一体化形成した熱電変換素子の高温側・低温側それぞれで伝熱する構成については記載されていない。 Furthermore, in the invention described in Patent Document 6, it is described that a metal material is used to integrally form by pn bonding by hot or cold compression molding or powder metallurgy. Although not specified in the above, a configuration is disclosed that can solve the problem that stress is generated in the joint due to a difference in linear expansion coefficient. However, Patent Document 6 describes that different metal materials are used on the high temperature side and the low temperature side as the metal material for integrally forming, and does not describe using the same metal material. Moreover, it does not describe what kind of joining state the interface with the integrally formed metal material is made. Furthermore, Patent Document 6 does not describe a configuration in which heat is transferred on a high temperature side and a low temperature side of an integrally formed thermoelectric conversion element.
本発明は、熱電変換モジュールにおいて、高温環境下や温度サイクルによる熱応力が発生する環境下でも高い信頼性を確保し、外周温度を効率よく熱電変換素子へ伝えることができる熱電変換モジュールを提供するものである。 The present invention provides a thermoelectric conversion module capable of ensuring high reliability even in a high temperature environment or in an environment where thermal stress is generated due to a temperature cycle and efficiently transmitting the outer peripheral temperature to the thermoelectric conversion element. Is.
また、上記した課題を解決するために、本発明においては、熱電変換モジュールの製造
方法を、シリコンを含有する複数のp型の熱電変換素子とシリコンを含有する複数のn型の熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置し、この交互に並べて配置した複数のp型熱電変換素子と複数のn型の熱電変換素子との間の接合部にアルミニウムを主成分とする接合金属材料を挟んでこの接合金属材料とp型の熱電変換素子との間及び接合金属材料とn型の熱電変換素子との間にアルミニウム中にシリコンを含む熱電変換素子の成分が含まれて接合部に発生する応力を緩和する作用を有する複数の合金層が形成された状態で接合して複数のp型の熱電変換素子と複数のn型の熱電変換素子とを電気的に直列に接続し、電気的に直列に接続した複数のp型の熱電変換素子と複数のn型の熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とを熱伝導性が良い絶縁材で覆うようにした。
In order to solve the above problems, in the present invention, a method for manufacturing a thermoelectric conversion module includes a plurality of p-type thermoelectric conversion elements containing silicon and a plurality of n-type thermoelectric conversion elements containing silicon. Are arranged with the high-temperature side surface and the low-temperature side surface arranged alternately, and aluminum is formed at the junction between the plurality of alternately arranged p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements. Of a thermoelectric conversion element containing silicon in aluminum between the bonding metal material and the p-type thermoelectric conversion element and between the bonding metal material and the n-type thermoelectric conversion element. Joining in the state in which a plurality of alloy layers that contain components and relax the stress generated in the joint are formed to electrically connect a plurality of p-type thermoelectric conversion elements and a plurality of n-type thermoelectric conversion elements Connected in series and electrically in series The high-temperature side surfaces and the low-temperature side surfaces of the plurality of p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements connected to each other are covered with an insulating material having good thermal conductivity.
本発明の特徴は、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子を直接接合することで電極をなくした構造とすることにより、高温環境下や温度変動環境下で熱電素子と電極間に発生する熱応力を抑制し、実使用環境下でも高い信頼性を確保できることである。また、電極レス熱電変換素子組立体と外周ケースを接触接続させることで、電極レス熱電変換素子組立体とケースの線膨張係数差による応力の発生を抑制することもできる。さらに、ケースの熱を熱電変換素子へ電極を介さずに伝えることができるため、効率の向上ができる。 A feature of the present invention is that a p-type thermoelectric conversion element and an n-type thermoelectric conversion element are directly joined to form a structure that eliminates an electrode, and thus occurs between a thermoelectric element and an electrode under a high temperature environment or a temperature fluctuation environment. It is possible to suppress thermal stress and ensure high reliability even in an actual use environment. In addition, by connecting the electrodeless thermoelectric conversion element assembly and the outer case in contact with each other, it is possible to suppress the generation of stress due to a difference in linear expansion coefficient between the electrodeless thermoelectric conversion element assembly and the case. Furthermore, since the heat of the case can be transmitted to the thermoelectric conversion element without using an electrode, the efficiency can be improved.
本発明では、熱電変換モジュールのp型熱電変換素子とn型熱電変換素子とを、従来の電極材料を用いて接続する構成ではなく、電極材料を用いずに(電極レス)p型熱電変換素子とn型熱電変換素子との間に接合金属による合金層を形成して直接電気的に接続する構成とした。 In the present invention, the p-type thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module is not configured to connect the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element using the conventional electrode material, but without using the electrode material (electrodeless). An alloy layer made of a bonding metal is formed between the n-type thermoelectric conversion element and a direct electrical connection.
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第一の実施例における熱電変換モジュール500の素子近傍を抜粋した側面図である。10は接合材、11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子、13は高熱伝導絶縁材、14は外周ケースである。接合材10はアルミニウム、ニッケル、錫、銅、亜鉛、ゲルマニウム、マグネシウム、金、銀、インジウム、鉛、ビスマス、テルルまたはこれらの金属のうち、いずれかを主成分とする合金であることが望ましい。上面側の接合材10と、下面側の接合材10は同一の材料でもよいし、異なる材料ででもかまわない。p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12(以下、これらを総称する場合は熱電変換素子100と記す)は、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系やホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系など、熱電変換特性がある材料とする。
FIG. 1 is a side view of the vicinity of an element of a
以降の実施例では、p型熱電変換素子11は、p型半導体の特性を付与する1%以下のボロン、アルミニウム、ガリウム等の不純物を含有したシリコンとゲルマニウム粉末を、n型熱電変換素子12は、n型半導体の特性を付与する1%以下のリン、アンチモン等の不純物を含有したシリコン−ゲルマニウム粉末をそれぞれパルス放電法やホットプレス法等により焼結したシリコン−ゲルマニウム熱電変換素子として説明する。
In the following examples, the p-type
高熱伝導絶縁材13は熱伝導性が良い絶縁材で、エポキシやウレタンなどの樹脂材料中に金属やカーボンなどの熱伝導性の良い材料を含んだものや、熱伝導グリースなど、熱電変換素子100と化学的、金属的に接合しない熱伝導性が良い材料が好ましい。また、高熱伝導絶縁材13は、外周ケース14と熱電変換素子100に垂直な方向に熱伝導率が高く、水平方向に熱伝導率が低い異方性を有した異方性高熱伝導絶縁材料や、厚さ方向の強度は高いが水平方向の強度が低く、せん断変形が容易な材料としてもよい。
The high thermal conductive insulating
外周ケース14の材質は、金属、セラミック、カーボンなどを主成分とする熱伝導率の高い材料であることが望ましい。以降の説明では、外周ケース14を金属ケースとして説明する。
The material of the
また、以降の実施例では、接合材10をアルミニウムまたは、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔、または、アルミニウム、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有した粉末からなる箔の何れかを用いた場合について説明する。
In the following embodiments, the
図1に示すように、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12は接合材10により上端と下端で交互に接合されている。さらに、高熱伝導絶縁材13と熱電変換素子100とは接触接続されており、外周ケース14を上下面からネジ止めなどで加圧したり、気密封止真空パッケージングとしたり、高熱伝導絶縁材13に粘着力を持たせて接着させることで形状が保たれる。また、外周ケース14と高熱伝導絶縁材13は接続していても接触や接着していてもよく、形態は問わない。予め外周ケース14上に塗布や接着、成形、鋳造、めっき、蒸着などで高熱伝導絶縁材13を形成しておいた一体型外周ケースとすると、外気の熱を効率よく熱電変換素子100へ伝えることができる。
As shown in FIG. 1, the p-type
熱電変換モジュールは、熱電変換素子100の両端に温度差を与えることにより、温度差に応じた起電力が発生するモジュールである。図1の上面を高温に、下面を低温にした場合について以下に示す。
The thermoelectric conversion module is a module that generates an electromotive force according to the temperature difference by giving a temperature difference to both ends of the
上下面に与えた温度差により、熱電変換素子100には電流が流れる。電流は、p型熱電変換素子11では高温側から低温側(図1中、上から下)に、n型熱電変換素子12では低温側から高温側(図1中、下から上)に流れるので、各々の熱電変換素子100の下流側を接合材10を用いて、隣接した熱電変換素子100の上流側と接合することで電気的な直列経路を形成する。このように直列に接続した熱電変換素子100を平面状、ライン状などに複数接合することで電極レス熱電変換素子組立体1を構成する。なお、図1に示した構成においては、電極レス熱電変換素子組立体1を、複数の熱電変換素子100で一つの電気的な直列経路を形成した構成として示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の熱電変換素子100で形成した電気的な直列経路を複数備えてそれらを並列に接続した状態で電極レス熱電変換素子組立体1を構成するようにしてもよい。
A current flows through the
実使用環境下で高温側が300℃以上になると、熱電変換素子100と、外周ケース14や高熱伝導絶縁材13とが接合(例えば金属接合)された構造の場合、各部材の線膨張係数差により接合部近傍に応力とひずみが発生し、接合部破断や剥離、熱電変換素子100の割れが懸念される。しかし、本実施例における構造においては、熱電変換素子100と高熱伝導絶縁材13との間を接合材料で固定した構造ではなく、接触接続であるため、界面がすべることで応力やひずみを低減することができる。また、高熱伝導絶縁材13をせん断方向に変形が容易な異方性材料を使用した場合は、接触界面がすべるとともに異方性材料も変形することで、応力とひずみの低減効果を発揮できる。また、厚さ方向の熱伝導率が高い異方性材料を高熱伝導絶縁材13に使用すると、厚み方向に優先的に伝熱するため、外周ケース14の熱を効率よく熱電変換素子100に伝えることができる。この高熱伝導絶縁材13の厚さは、絶縁性と熱抵抗の観点から0.01mm〜10mmにすることが望ましい。
If the
更に、本実施例においては、特許文献5に記載されているような熱電変換素子間を接続する電極を不要とするため、平面方向の単位面積あたりの熱電変換素子100の割合を増加でき、熱電変換素子の実装密度が上昇するため、単位面積あたりの発電量が増加する。すなわち、省スペースの発電が可能となる。
Furthermore, in this embodiment, since the electrodes for connecting the thermoelectric conversion elements as described in Patent Document 5 are not necessary, the ratio of the
図2は、本発明の第一の実施例における熱電変換モジュール500の第一の組立プロセス例について素子近傍を抜粋した側面図である。1は電極レス熱電変換素子組立体、11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子、15、16は金属箔、20はサンプル支持用治具、21、23は突起、22は上部接合用治具である。本組立プロセスでは、金属箔15、16はアルミニウムまたは、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔、または、アルミニウム、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有した粉末からなる箔として説明する。
FIG. 2 is a side view of the vicinity of the element in the first assembly process example of the
サンプル支持用治具20は、セラミックや金属など、接合プロセスで溶融しない材料であればよいが、金属箔15、16と反応する材料の場合は、サンプル支持用治具20の表面に金属箔15,16との反応を抑制する、もしくは反応しない層を形成するか、サンプル支持用治具20と金属箔15、16の間に反応を抑制する、もしくは反応しない材料(セラミックなど)を介在させる。
The
以下、図2の電極レス熱電変換素子組立体1の組立方法のフローを、(a)乃至(d)を参照しながら説明する。
Hereinafter, the flow of the assembly method of the electrodeless thermoelectric
先ず、図2の(a)に示すように、突起21を有するサンプル支持用治具20上に金属箔15を設置する(S201)。突起21は、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合させる境界を除いた任意の境界下には少なくとも形成する。突起21の高さは、金属箔15の厚さの1/2以上であることが望ましい。金属箔15の厚さは、1〜500μmが望ましい。金属箔15を設置後、サンプル支持用治具20の突起21を避けて熱電変換素子100の位置合わせを行い(S202)、金属箔15を挟むようにして熱電変換素子100をサンプル支持用治具20に設置する(S203)。熱電変換素子100の設置は、治具(図示せず)を用いて一括で設置してもよいし、個別に設置してもよく、方法は問わない。この状態で、隣接する熱電変換素子100どうしは、サンプル支持用治具20の突起21の幅の分だけ間隔が空いている。
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2の(b)に示すように、設置した熱電変換素子100上に金属箔16を置き(S204)、突起23を有する上部接合用治具22をサンプル用支持治具20に設置した熱電変換素子100に対して位置合わせを行う(S205)。上部接合用治具22の突起23は、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合させる境界を除いた任意の境界下には少なくとも形成する。突起21の高さは、金属箔16の厚さの1/2以上であることが望ましい。金属箔16の厚さは、1〜500μmが望ましい。位置あわせ後、金属箔16を挟んで熱電変換素子100にかかる荷重を0.12kPa以上として上部接合用冶具22を加圧する(S206)。
Next, as shown in FIG. 2 (b), the
次に、図2の(c)に示すように、加圧した状態で図示していない加熱手段によりサンプル支持用治具20と上部接合用治具22とを加熱し(S207)、金属箔15,16を溶融温度(アルミニウムの場合、660℃)以上まで昇温させて、溶融温度を超えた金属箔15、16を溶融させる(S208)。この溶融した金属箔15,16に対して、突起21、23が堤防の役割を果たし、突起21、23が存在しないp型熱電変換素子11と、n型熱電変換素子12の界面211,231に溶融した金属箔が流れ込み素子間接続部材151,161(素子間接続部材151,161とを総称して接合材10(図1参照)と記す)が形成され、双方の熱電変換素子の接合を実現する。
Next, as shown in FIG. 2C, the
加熱を開始して一定の時間経過後に、サンプル支持用治具20と上部接合用治具22との加熱を停止する(S209)。そののち、図2の(d)に示すように、上部接合用治具22による熱電変換素子100への加圧を停止して上部接合用治具22を上昇させ(S210),熱電変換素子100をサンプル支持用治具20から取り外すことにより、電極レス熱電変換素子組立体1(複数の熱電変換素子100を素子間接続部材151又は161で電気的に接続した熱電変換素子100の集合体)が形成できる(S211)。
After a certain period of time has elapsed since the start of heating, heating of the
図2を用いて説明したフローでは、上下面の金属箔15、16を一括して接合するプロセスを示したが、いずれか一方を予め接合したのち、他方を接合してもよい。たとえば、図2のS207とS208のステップにおいて、先ず下側のサンプル支持用治具20を加熱し金属箔15を溶融して素子間接合部材151を形成し、次に全体を反転させて上部接合用治具22を下側にし、この状態で上部接合用治具22を加熱して金属箔16を溶融して素子間接合部材161を形成することにより、図2の(d)に示すような電極レス熱電変換素子組立体1を形成してもよい。
In the flow described with reference to FIG. 2, the process of joining the upper and lower metal foils 15 and 16 together is shown. However, after joining one of them in advance, the other may be joined. For example, in steps S207 and S208 of FIG. 2, first, the lower
ここで、加圧力を0.12kPa以上としたのは、接合時に熱電変換素子100が傾くのを防止することと、熱電変換素子100とサンプル支持用治具20、および熱電変換素子100と上部接合用冶具22の界面から溶融した金属箔15、16を極力排出すること、熱電変換素子100とサンプル支持用治具20、上部接合用治具22の密着性を高めるためである。加圧力の上限は特に限定しないが、素子が破壊しない程度とする必要があるため素子の圧壊強さ未満とする。具体的には1000MPa程度以下であればよいが、本実施例では、特許文献3及び4に記載されているように、接合時に300kg/cm2以上700kg/cm2以下の圧力をかけたり、数十MPa程度の圧力をかけたりすることなくても、数MPa程度の圧力で十分に効果を得ることができる。
Here, the pressure is set to 0.12 kPa or more to prevent the
接合雰囲気は、非酸化性雰囲気であればよく、具体的に、真空雰囲気、窒素雰囲気、窒素水素混合雰囲気等を用いることができる。熱電変換素子100がシリコン−ゲルマニウム素子、金属箔15、16がアルミニウムの場合、シリコン−ゲルマニウム素子とアルミニウムの接合界面には、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する層が形成される。この層には、アルミニウム中に熱電変換素子100を構成するシリコン−ゲルマニウムが溶解して形成された、ゲルマニウムを含むシリコンとアルミニウムの層と、10質量%以下のアルミニウムを含むシリコンとゲルマニウムの合金層が形成されてもよい。この場合、熱電変換素子100と溶融した金属箔151および161の界面は、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、ゲルマニウムを主成分とする合金層とを含む複数の合金層からなる構造となる。
The bonding atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere. Specifically, a vacuum atmosphere, a nitrogen atmosphere, a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, or the like can be used. When the
この合金層は接合強度が高く、かつ、アルミニウムを含有するため耐酸化性に優れており、大気中での高温環境下においても、接合部の劣化が生じ難いものである。また、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する合金は、比較的軟質であるため、接合部に発生する応力を緩和する作用を有する。これらの作用により、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する合金が形成される接合層は、高い接合信頼性を長期に亘り発揮する。この接合層の作用・効果は上記のとおりであり、このように接合部が複層として形成されても、問題なく使用できる。なお、接合温度の上限は熱電変換素子の性能が劣化しない温度であり、具体的には1000℃以下とする。 This alloy layer has high bonding strength and is excellent in oxidation resistance because it contains aluminum, and it is difficult for the bonded portion to deteriorate even in a high temperature environment in the atmosphere. In addition, an alloy containing aluminum, silicon, and germanium is relatively soft, and thus has an action of relieving stress generated at the joint. By these actions, the bonding layer in which an alloy containing aluminum, silicon, and germanium is formed exhibits high bonding reliability over a long period of time. The operation and effect of this bonding layer is as described above, and even if the bonding portion is formed as a multilayer as described above, it can be used without any problem. Note that the upper limit of the bonding temperature is a temperature at which the performance of the thermoelectric conversion element does not deteriorate, specifically, 1000 ° C. or less.
なお、上記の説明では金属箔15,16としてアルミニウム箔を用いたが、アルミニウム箔に替えてアルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔を用いてもよい。この場合、アルミニウム中に熱電変換素子の成分が含有されているため、固相拡散を経ずとも共晶液相が発生しやすくなる。また、アルミニウム箔とアルミニウム合金箔を積層して用いてもよい。 In the above description, aluminum foil is used as the metal foils 15 and 16, but an aluminum alloy foil containing silicon, germanium or the like in aluminum may be used instead of the aluminum foil. In this case, since the component of the thermoelectric conversion element is contained in aluminum, a eutectic liquid phase is likely to be generated without solid phase diffusion. Further, an aluminum foil and an aluminum alloy foil may be laminated and used.
さらに、金属箔に替えてアルミニウム粉末やアルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。この場合、単一の粉末として用いてもよく、各々の粉末から形成される層を積層してもよく、これらの混合粉末を用いてもよい。このような粉末を用いる場合、粉末のみを圧粉成形した成形体をp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合を行う箇所のみに配置してもよく、あるいは予め熱電変換素子100の接合を行う箇所のみに粉末を塗布しておいてもよく、さらに樹脂等を用いてペースト化した粉末を熱電変換素子の接合を行う部分に塗布することで配置してもよい。予め粉末を塗布しておくことで箔を設置する工程が省略できるため、製造プロセスをより簡易にすることができる。
Furthermore, instead of the metal foil, aluminum powder or aluminum alloy powder containing silicon, germanium or the like in aluminum may be used. In this case, you may use as a single powder, the layer formed from each powder may be laminated | stacked, and these mixed powders may be used. When such a powder is used, a compact formed by compacting only the powder may be disposed only at a location where the p-type
熱電変換素子100として、マグネシウムシリサイド熱電変換素子、マンガンシリサイド熱電変換素子等他の熱電変換素子を使用することもできる。すなわち、これらの熱電変換素子はいずれも成分としてシリコンを含有するものであり、上記のアルミニウムとシリコンによる接合が可能である。
As the
ここで、熱電変換素子100としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、接合層は、シリコン、マグネシウム、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、マグネシウムを主成分とする合金層を含む層構造とすることができる。
Here, when a magnesium silicide thermoelectric conversion element is used as the
このような接合層を得るため、上記組立方法のアルミニウム箔やアルミニウム粉末に替えて、アルミニウム中にシリコン、マグネシウム等を含有したアルミニウム合金箔やアルミニウム中にシリコン、マグネシウム等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。ただし、熱電変換素子100としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、アルミニウムとマグネシウムの間では437℃で共晶相が発生することから、接合温度は440℃以上とする。また、マグネシウムは高温で昇華し易いため、マグネシウムの昇華を避けるため接合温度上限を800℃とする。その他の組立条件については、図2記載の場合と同様である。
In order to obtain such a bonding layer, instead of the aluminum foil or aluminum powder of the above assembly method, an aluminum alloy foil containing silicon, magnesium or the like in aluminum or an aluminum alloy powder containing silicon, magnesium or the like in aluminum is used. It may be used. However, when a magnesium silicide thermoelectric conversion element is used as the
また、熱電変換素子100としてマンガンシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、得られる接合層は、シリコン、マンガン、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、マンガンを主成分とする合金層を含む層構造とすることができる。このような接合層を得るため、上記製造方法のアルミニウム箔やアルミニウム粉末に替えて、アルミニウム中にシリコン、マンガン等を含有したアルミニウム合金箔やアルミニウム中にシリコン、マンガン等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。熱電変換素子としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合の各製造条件は、上記のシリコン−ゲルマニウム熱電変換素子の場合と同様である。
In addition, when a manganese silicide thermoelectric conversion element is used as the
溶融した金属箔15,16と熱電変換素子100の接合部では、金属箔の体積によっては製造プロセスや実使用環境下で反応が促進することが考えられる。そのため、接合界面となる熱電変換素子100の任意の箇所に予め、拡散防止層(反応抑制層)を形成しておいてもよい。この拡散防止層はタングステン、チタン、ニッケル、パラジウム、モリブデン等であればよい。この拡散防止層は、めっき法、蒸着法、スパッタ法、溶射、エアロゾルデポジション法等により、形成することができる。
It is conceivable that, at the joint between the molten metal foils 15 and 16 and the
図3は、本発明の第一の実施例における電極レス熱電変換素子組立体1を外周ケースに封止する方法を説明するフロー図と、フロー図の各ステップに対応する熱電変換モジュールの側面図である。1は熱電変換素子組立体、30、32は外周ケース(図1に示した外周ケース14に相当)、31、33は高熱伝導絶縁材(図1に示した高熱伝導絶縁材13に相当)である。外周ケース30,32の材質は、金属、セラミック、カーボンなどを主成分とする熱伝導率の高い材料であることが望ましい。高熱伝導絶縁材31,33は、エポキシやウレタンなどの樹脂材料中に金属やカーボンなどの熱伝導性のある材料を有したものや、熱伝導グリースなど、熱電変換素子100と化学的、金属的に接合しない材料が好ましい。また、高熱伝導絶縁材31,33は、外周ケース30,32と熱電変換素子に垂直な方向に熱伝導率が高く、水平方向に熱伝導率が低い異方性を有した材料や、厚さ方向の強度は高いが水平方向の強度が低く、せん断変形が容易な材料としてもよい。
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for sealing the electrodeless thermoelectric
外周ケース30,32と高熱伝導絶縁材31,33の接続は、外周ケース上に高熱伝導絶縁材料をモールディング、鋳造などで任意の形状に形成した一体型としてもよいし、グリースなどを用いた加圧による接触接続、もしくは何も介在しない加圧による接触接続、形状を真空封止パッケージとした内外圧差を用いた接触接続などでもよい。図3では、外周ケース上に予め高熱伝導絶縁材を形成した状態で説明する。鋳造などで予め外周ケースに高熱伝導材が形成できると、ケースと高熱伝導絶縁材間の接触熱抵抗を抑制することができるため、外周ケース外の外気温を温度ロスを少なく熱電変換素子へ伝えることができる。
The connection between the
図3の(a)に示すように、電極レス熱電変換素子組立体1を、高熱伝導絶縁材31、33を形成した外周ケース30、32の間に配置する(S301)。この際、高熱伝導絶縁材31、33の面積は、高熱伝導絶縁材31,33と接触する電極レス熱電変換素子組立体1の水平方向断面積よりも大きくすることにより、細かな位置あわせを行うことなく設置することができる。
As shown in FIG. 3A, the electrodeless thermoelectric
そののち、図3の(b)に示すように、高熱伝導絶縁材31、33で電極レス熱電変換素子組立体1を挟みこんで接触させ、固定する(S302)ことにより、図1に示す本実施例による熱電変換モジュール500が完成する。図3では、電極レス熱電変換モジュール1を挟みこんだ状態で下面の側の外周ケース30と上面の側の外周ケース32とを固定するための接続方式を図示していないが、本実施例の電極レス熱電変換素子組立体1では、外周ケースと熱電変換素子が接触する形態であれば適用製品によってどのような外周ケースとしてもよい。
After that, as shown in FIG. 3 (b), the electrodeless thermoelectric
本実施例では、上面の側の外周ケース32と下面の側の外周ケース30を一括して製造するプロセスを示したが、個別に接触させてもよい。
In the present embodiment, the process of manufacturing the outer
本実施例1に示すような、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とを直接接合することで電極をなくした構造とすることにより、高温環境下や温度変動環境下で熱電素子と電極間に発生する熱応力を抑制し、実使用環境下でも高い信頼性を確保できることが可能となる。また、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース30及び32を接触接続させることで、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース30及び32の線膨張係数差による応力の発生を抑制することもでき、さらに、外周ケース32の熱を電極レス熱電変換素子組立体1へ電極を介さずに伝えることができるため、熱電変換効率の向上が可能となる。また、熱電変換素子の実装密度も向上できることで、同一性能でより小型な製品を提供することができる。
As shown in the first embodiment, the p-type
図4は、第一の実施形態に係る電極レス熱電変換素子組立体1を組み込んだ熱電変換モジュール500の上部ケース32を取外した状態の斜視図である。11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子、31は高熱伝導絶縁材(図1の高熱伝導絶縁材13に相当)、30は外周ケース(図1の外周ケース14に相当)、151と161とは素子間接続部材 (図1に示した接合材10に相当)である。図1乃至図3で説明した第一の実施例における熱電変換モジュール500の斜視図を示しており、電極レス熱電変換素子組立体1として、64個の熱電変換素子100を格子状に整列したものである。図4に示すように、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とは、素子間接続部材151又は161で交互に接続されて、電気的に直列に接続されている。直列接続の両端から引き出し配線(図示せず)を形成し、外部へ起電力を取り出す構造とする。
FIG. 4 is a perspective view of the
図4において、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12との熱電変換素子100を四角柱として表したが、熱電変換素子100の形状は四角柱、三角柱、多角柱、円柱、楕円柱など柱状であればよい。また、熱電変換素子100と高熱伝導絶縁材31又は33が接触する面積は必ずしも同じでなくてもよく、一方の接触面積と、他方の接触面積に差があってもよい。
In FIG. 4, the
又、図4に示した構成において、全体を電気的に直列に接続した構成として説明したが、これを複数のブロックに分離して、各ブロック内では電気的に直列に接続し、各ブロックを並列に接続するように構成してもよい。このように複数のブロックを並列に接続した構成とすることにより、複数のブロックのうちの一つのブロック内で断線が発生したとしても、他のブロックが正常であれば電極レス熱電変換素子組立体1からの出力がゼロになることはなく、電極レス熱電変換素子組立体1からの出力が途絶してしまう危険性を、十分に低減することができる。
In the configuration shown in FIG. 4, the entire configuration is described as being electrically connected in series. However, this is divided into a plurality of blocks and electrically connected in series in each block. You may comprise so that it may connect in parallel. By configuring the plurality of blocks in parallel as described above, even if a disconnection occurs in one of the plurality of blocks, the electrodeless thermoelectric conversion element assembly can be used if the other blocks are normal. The output from 1 does not become zero, and the risk of the output from the electrodeless thermoelectric
図5は、本発明の第一の実施形態に係る熱電変換モジュール500の上部ケース32を取付けた状態の斜視図であり、図4の斜視図に高熱伝導絶縁材33と上部ケース32をかぶせたものである。151は接合材、11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子、31は高熱伝導絶縁材、30は下面の側の外周ケースである。多数の熱電変換素子100は、夫々高熱伝導絶縁材31を介して下面の側の外周ケース30の内壁面に密着し、高熱伝導絶縁材33を介して上面の側の外周ケース32の内壁面に密着している。上面の側の外周ケース32は図示していない発熱体に接触し、下面の側の外周ケース30は図示していない冷却手段により冷却されている。直列に接続された熱電変換素子100の両端から引き出し配線(図示せず)を形成し、その配線を用いて電極レス熱電変換素子組立体1で発生させた電力を外部に出力する。
FIG. 5 is a perspective view showing a state where the
図5では、上面の側の外周ケース32と下面の側の外周ケース30とをそれぞれ平板で示しており、上下の外周ケース30と32との接続方式を図示していないが、本実施例の熱電変換モジュール500では、上面の側の外周ケース32と下面の側の外周ケース30とがそれぞれ電極レス熱電変換素子組立体1と高熱伝導絶縁材31または33を介して接触する形態であれば適用製品によってどのような外周ケース形状としてもよい。また、熱電変換モジュール500は外周を封止したパッケージ構造としてもよく、封止した内部は真空、窒素充填、大気、アルゴンなど、使用環境により選択することが可能である。
In FIG. 5, the outer
このように、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とを電極を介さずに直接接合することで、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とを接続する電極をなくした構造とすることにより、高温環境下や温度変動環境下で熱電変換素子と電極間に発生する熱応力を抑制し、実使用環境下でも高い信頼性を確保することが可能となる。すなわち、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とはほぼ類似した材質であるために熱膨張係数がほとんど同じであり、高温環境化や温度変動環境下で両熱電変換素子を接続する素子間接続部材151又は161に発生する熱応力は十分に小さく、接続の高い信頼性を確保することができる。
In this way, by directly joining the p-type
また、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース30及び32を接触接続させることで、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース30及び32の線膨張係数差による応力の発生を抑制することもでき、さらに、ケースの熱を熱電変換素子へ電極を介さずに伝えることができるため、熱電変換効率の向上が可能となる。
In addition, the electrodeless thermoelectric
また、熱電変換素子の実装密度も向上できることで、同一性能でより小型な製品を提供することができる。なお、熱電変換モジュールとして外周ケース14に収容しない形態のものも存在するため、そのような形態の熱電変換モジュールに適用する場合には、筐体に収容せずに使用してもよい。
Moreover, since the mounting density of the thermoelectric conversion elements can be improved, a smaller product with the same performance can be provided. Note that some thermoelectric conversion modules are not accommodated in the
以上のように本実施例によれば、様々な効果があり、接合信頼性の高い接合構造を有する熱電変換モジュール500を実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the
本発明の第2の実施例を、図6及び図7を用いて説明する。
第2の実施例においては、図6に示すように、サンプル支持具201の形状が、第1の実施例において図2で説明したサンプル支持用治具20と異なっている。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, as shown in FIG. 6, the shape of the
図6は、本発明の第二の実施例における電極レス熱電変換素子組立体1の組立プロセス例について素子近傍を抜粋した側面図である。実施例1と同じ構成部品については、実施例1と同じ番号を付した。1は電極レス熱電変換素子組立体、11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子(以下、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子を総称する場合、熱電変換素子100と記す)、15、16は金属箔、201はサンプル支持用治具、22は上部接合用治具、23は突起、24は溝である。金属箔15、16は、アルミニウムまたは、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔、または、アルミニウム、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有した粉末からなる箔として説明する。
FIG. 6 is a side view of the vicinity of an element extracted from an assembly process example of the electrodeless thermoelectric
サンプル支持用治具201は、セラミックや金属など、接合プロセスで溶融しない材料であればよいが、金属箔15、16と反応する材料の場合は、サンプル支持用治具201の表面に反応を抑制する、もしくは反応しない層を形成するか、サンプル支持用治具201と金属箔15、16の間に反応を抑制する、もしくは反応しない材料(セラミックなど)を介在させる。以下、図6の電極レス熱電変換モジュール1の組み立て方法のフロー図を(a)乃至(d)を参照しながら説明する。
The
先ず、図6の(a)に示すように、溝24を有するサンプル支持用治具201上に金属箔15を設置する(S601)。溝24は、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合させる境界を除いた任意の境界下には少なくとも形成する。金属箔15の厚さは、1〜500μmが望ましい。金属箔15を設置後、サンプル支持用治具20の溝24が少なくとも接合させないp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の間に位置するように、熱電変換素子100の位置あわせを行い(S602)、金属箔15を挟むようにして熱電変換素子100をサンプル支持用治具201上に設置する(S603)。熱電変換素子100の設置は、治具(図示せず)を用いて一括で設置してもよいし、個別に設置してもよく、方法は問わない。
First, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6の(b)に示すように設置した熱電変換素子100上に金属箔16を置き(S604)、突起23を有する上部接合用治具22の位置あわせを行う(S605)。上部接合用治具22の突起23は、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合させる境界を除いた任意の境界下には少なくとも形成する。突起21の高さは、金属箔16の厚さの1/2以上であることが望ましい。金属箔16の厚さは、1〜500μmが望ましい。位置あわせ後、金属薄膜16を挟んで熱電変換素子100にかかる荷重を0.12kPa以上として上部接合用冶具22を加圧する(S606)。
Next, the
次に、図6の(c)に示すように、加圧した状態で図示していない加熱手段によりサンプル支持用治具201と上部接合用治具22とを加熱し(S607)、金属箔15,16を溶融温度(アルミニウムの場合、660℃)以上まで昇温させて溶融温度を超えた金属箔15,16を溶融させる(S608)。このとき、サンプル支持用治具201の側では溶融した金属箔15が溝24に流れ込むため、溝で対峙しているp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12との間の界面212は接合されず、溝24のない箇所のp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12との間の界面212に金属箔15が溶融した材料が流れ込んでp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12が接合される。
Next, as shown in FIG. 6C, the
一方、溶融した金属箔16に対して突起23が堤防の役割を果たし、突起23が存在しないp型熱電変換素子11と、n型熱電変換素子12の界面232に溶融した金属箔16が流れ込み、素子間接続部材152および162が形成されて、双方の熱電変換素子の接合を実現する。加熱を開始して一定の時間が経過後に、サンプル支持用治具201と上部接合用治具22との加熱を停止する(S609)。
On the other hand, the
そののち、図6の(d)に示すように、上部接合用治具22による熱電変換素子100への加圧を停止して上部接合用治具22を上昇させ(S610)、熱電変換素子100をサンプル支持用治具201から取り外すことにより、電極レス熱電変換素子組立体1が形成できる(S611)。図6を用いて説明したフローでは、上下面の金属箔15、16を一括して接合するプロセスを示したが、いずれか一方を予め接合したのち、他方を接合してもよい。
After that, as shown in FIG. 6D, pressurization to the
ここで、加圧力を0.12kPa以上としたのは、接合時に熱電変換素子100が傾くのを防止することと、熱電変換素子100とサンプル支持用治具20、および熱電変換素子100と上部接合用冶具22の界面から溶融した金属箔15、16を極力排出すること、熱電変換素子100とサンプル支持用治具20、上部接合用治具22の密着性を高めるためである。加圧力の上限は特に限定しないが、素子が破壊しない程度とする必要があるため素子の圧壊強さ未満とする。具体的には1000MPa程度以下であればよいが、本発明実施例では、特許文献3及び4に記載されているように、接合時に300kg/cm2以上700kg/cm2以下の圧力をかけたり、数十MPa程度の圧力をかけたりすることなくても、数MPa程度の圧力で十分に効果を得ることができる。
Here, the pressure is set to 0.12 kPa or more to prevent the
接合雰囲気は、非酸化性雰囲気であればよく、具体的に、真空雰囲気、窒素雰囲気、窒素水素混合雰囲気等を用いることができる。熱電変換素子100がシリコン−ゲルマニウム素子、金属箔15、16がアルミニウムの場合、シリコン−ゲルマニウム素子とアルミニウムの接合界面には、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する層が形成される。この層には、アルミニウム中に熱電変換素子100を構成するシリコン−ゲルマニウムが溶解して形成された、ゲルマニウムを含むシリコンとアルミニウムの層と、10質量%以下のアルミニウムを含むシリコンとゲルマニウムの合金層が形成されてもよい。この場合、熱電変換素子100と溶融した金属箔の界面は、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、ゲルマニウムを主成分とする合金層とを含む複数の合金層からなる構造となる。
The bonding atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere. Specifically, a vacuum atmosphere, a nitrogen atmosphere, a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, or the like can be used. When the
この合金層は接合強度が高く、かつ、アルミニウムを含有するため耐酸化性に優れており、大気中での高温環境下においても、接合部の劣化が生じ難いものである。また、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する合金は、比較的軟質であるため、接合部に発生する応力を緩和する作用を有する。これらの作用により、アルミニウムとシリコンとゲルマニウムを含有する合金が形成される接合層は、高い接合信頼性を長期に亘り発揮する。この接合層の作用・効果は上記のとおりであり、このように接合部が複層として形成されても、問題なく使用できる。なお、接合温度の上限は熱電変換素子の性能が劣化しない温度であり、具体的には1000℃以下とする。 This alloy layer has high bonding strength and is excellent in oxidation resistance because it contains aluminum, and it is difficult for the bonded portion to deteriorate even in a high temperature environment in the atmosphere. In addition, an alloy containing aluminum, silicon, and germanium is relatively soft, and thus has an action of relieving stress generated at the joint. By these actions, the bonding layer in which an alloy containing aluminum, silicon, and germanium is formed exhibits high bonding reliability over a long period of time. The operation and effect of this bonding layer is as described above, and even if the bonding portion is formed as a multilayer as described above, it can be used without any problem. Note that the upper limit of the bonding temperature is a temperature at which the performance of the thermoelectric conversion element does not deteriorate, specifically, 1000 ° C. or less.
なお、上記の説明では金属箔15,16としてアルミニウム箔を用いたが、アルミニウム箔に替えてアルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔を用いてもよい。この場合、アルミニウム中に熱電変換素子の成分が含有されているため、固相拡散を経ずとも共晶液相が発生しやすくなる。また、アルミニウム箔とアルミニウム合金箔を積層して用いてもよい。 In the above description, aluminum foil is used as the metal foils 15 and 16, but an aluminum alloy foil containing silicon, germanium or the like in aluminum may be used instead of the aluminum foil. In this case, since the component of the thermoelectric conversion element is contained in aluminum, a eutectic liquid phase is likely to be generated without solid phase diffusion. Further, an aluminum foil and an aluminum alloy foil may be laminated and used.
さらに、金属箔に替えてアルミニウム粉末やアルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。この場合、単一の粉末として用いてもよく、各々の粉末から形成される層を積層してもよく、これらの混合粉末を用いてもよい。このような粉末を用いる場合、粉末のみを圧粉成形した成形体をp型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12の接合を行う箇所のみに配置してもよく、あるいは予め熱電変換素子100の接合を行う箇所のみに粉末を塗布しておいてもよく、さらに樹脂等を用いてペースト化した粉末を熱電変換素子の接合を行う部分に塗布することで配置してもよい。予め粉末を塗布しておくことで箔を設置する工程が省略できるため、製造プロセスをより簡易にすることができる。
Furthermore, instead of the metal foil, aluminum powder or aluminum alloy powder containing silicon, germanium or the like in aluminum may be used. In this case, you may use as a single powder, the layer formed from each powder may be laminated | stacked, and these mixed powders may be used. When such a powder is used, a compact formed by compacting only the powder may be disposed only at a location where the p-type
熱電変換素子100として、マグネシウムシリサイド熱電変換素子、マンガンシリサイド熱電変換素子等他の熱電変換素子を使用することもできる。すなわち、これらの熱電変換素子はいずれも成分としてシリコンを含有するものであり、上記のアルミニウムとシリコンによる接合が可能である。
As the
ここで、熱電変換素子100としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、接合層は、シリコン、マグネシウム、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、マグネシウムを主成分とする合金層を含む層構造とすることができる。
Here, when a magnesium silicide thermoelectric conversion element is used as the
このような接合層を得るため、上記組立方法のアルミニウム箔やアルミニウム粉末に替えて、アルミニウム中にシリコン、マグネシウム等を含有したアルミニウム合金箔やアルミニウム中にシリコン、マグネシウム等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。ただし、熱電変換素子100としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、アルミニウムとマグネシウムの間では437℃で共晶相が発生することから、接合温度は440℃以上とする。また、マグネシウムは高温で昇華し易いため、マグネシウムの昇華を避けるため接合温度上限を800℃とする。その他の組立条件については、図2記載の場合と同様である。
In order to obtain such a bonding layer, instead of the aluminum foil or aluminum powder of the above assembly method, an aluminum alloy foil containing silicon, magnesium or the like in aluminum or an aluminum alloy powder containing silicon, magnesium or the like in aluminum is used. It may be used. However, when a magnesium silicide thermoelectric conversion element is used as the
また、熱電変換素子100としてマンガンシリサイド熱電変換素子を用いた場合には、得られる接合層は、シリコン、マンガン、アルミニウムを含む合金層と、シリコン、マンガンを主成分とする合金層を含む層構造とすることができる。このような接合層を得るため、上記製造方法のアルミニウム箔やアルミニウム粉末に替えて、アルミニウム中にシリコン、マンガン等を含有したアルミニウム合金箔やアルミニウム中にシリコン、マンガン等を含有したアルミニウム合金粉末を用いてもよい。熱電変換素子としてマグネシウムシリサイド熱電変換素子を用いた場合の各製造条件は、上記のシリコン−ゲルマニウム熱電変換素子の場合と同様である。
In addition, when a manganese silicide thermoelectric conversion element is used as the
溶融した金属箔15,16と熱電変換素子100の接合部では、金属箔の体積によっては製造プロセスや実使用環境下で反応が促進することが考えられる。そのため、接合界面となる熱電変換素子100の任意の箇所に予め、拡散防止層(反応抑制層)を形成しておいてもよい。この拡散防止層はタングステン、チタン、ニッケル、パラジウム、モリブデン等であればよい。この拡散防止層は、めっき法、蒸着法、スパッタ法、溶射、エアロゾルデポジション法等により、形成することができる。
It is conceivable that, at the joint between the molten metal foils 15 and 16 and the
本実施例による組立プロセスを用いると、第一の実施例における組立プロセスの利点に加え、本実施例におけるサンプル支持用治具201には、第一の実施例において図2に示したサンプル支持用治具20に形成されたような突起21がないため、位置あわせ時に誤って熱電変換素子100を突起上に配置して破損する危険を回避することができる。図6のプロセスで形成した電極レス熱電変換素子組立体1は、図2のプロセスで形成した電極レス熱電変換素子組立体1と同様な形態であるので、図3乃至図5と同様なプロセスで熱電変換モジュール500を形成することができる。
When the assembly process according to this embodiment is used, in addition to the advantages of the assembly process according to the first embodiment, the
図7に、本発明の第三の実施例における熱電変換モジュール700の素子近傍を抜粋した側面図である。10は接合材、11はp型熱電変換素子、12はn型熱電変換素子、14は外周ケースである。第三の実施例は、図3の(b)に示した第一の実施例の熱電変換モジュール500から高熱伝導絶縁材13をなくした構造であり、接合材10は実施例1及び2で説明したものと同じである。
FIG. 7 is a side view of the element vicinity of the
上面側の接合材10(161)と、下面側の接合材10(151)は同一の材料でもよいし、異なる材料ででもかまわない。p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12(以下、これらを総称する場合は熱電変換素子100と記す)については、実施例1及び2で説明したものと同じ材料の中から選ぶことができる。
The bonding material 10 (161) on the upper surface side and the bonding material 10 (151) on the lower surface side may be the same material or different materials. The p-type
以降の実施例では、p型熱電変換素子11は、p型半導体の特性を付与する1%以下のボロン、アルミニウム、ガリウム等の不純物を含有したシリコンとゲルマニウム粉末を、n型熱電変換素子12は、n型半導体の特性を付与する1%以下のリン、アンチモン等の不純物を含有したシリコン−ゲルマニウム粉末をそれぞれパルス放電法やホットプレス法等により焼結したシリコン−ゲルマニウム熱電変換素子として説明する。
In the following examples, the p-type
本実施例においては、外周ケース14の材質は、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12と直接接触するために絶縁性の材料であることが必要であり、セラミック、カーボンなどを主成分とする熱伝導率の高い材料であることが望ましい。
In the present embodiment, the material of the
又、本実施例では、接合材10をアルミニウムまたは、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有したアルミニウム合金箔、または、アルミニウム、アルミニウム中にシリコン、ゲルマニウム等を含有した粉末からなる箔として説明する。
In this embodiment, the
図7に示すように、p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12は接合材10により上端と下端で接合されて電極レス熱電変換素子組立体1が形成されている。さらに、外周ケース14と熱電変換素子100とは接触接続されており、外周ケース14を上下面からネジ止めなどで加圧したり、気密封止真空パッケージングとしたりすることで形状が保たれる。
As shown in FIG. 7, the p-type
熱電変換モジュール700は、熱電変換素子100の両端に温度差を与えることにより、温度差に応じた起電力が発生するモジュールである。図7の上面を高温に、下面を低温にした場合について以下に示す。
The
上下面に与えた温度差により、熱電変換素子100には電流が流れる。電流は、p型熱電変換素子11では高温側から低温側(図7中、上から下)に、n型熱電変換素子12では低温側から高温側(図7中、下から上)に流れるので、各々の熱電変換素子100の下流側を接合材10を用いて、隣接した熱電変換素子100の上流側と接合することで直列経路を形成する。このように直列に接続した熱電変換素子100を平面状、ライン上などに複数接合することで電極レス熱電変換素子組立体1を構成する。
A current flows through the
実使用環境下で高温側が300℃以上になると、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース14が接合された構造の場合、素子とケースの線膨張係数差により接合部近傍に応力とひずみが発生し、接合部破断や剥離、電極レス熱電変換素子組立体1を構成する熱電変換素子100の割れが懸念される。しかし、本構造においては、電極レス熱電変換素子組立体1と外周ケース14が接触接続であるため、界面がすべることで応力やひずみを低減することができる。また、外周ケース14と電極レス熱電変換素子組立体1を構成する各熱電変換素子100が直接熱伝播を行うことで、熱抵抗を低減することが期待できる。
If the electrodeless thermoelectric
更に、特許文献5で使用していた電極がなくなるため、平面方向の単位面積あたりの熱電変換素子100の割合を増加でき、熱電変換素子の実装密度が上昇するため、単位面積あたりの発電量が増加する。すなわち、省スペースの発電が可能となる。
Furthermore, since the electrodes used in Patent Document 5 are eliminated, the ratio of the
1…電極レス熱電変換素子組立体 10…接合材 11…p型熱電変換素子 12…n型熱電変換素子 13…高熱伝導絶縁材 14…外周ケース 15、16…金属箔 20…サンプル支持用治具 21、23…突起 22…上部接合用治具 24…溝 30…下側の外周ケース 32…上側の外周ケース 31、33…高熱伝導絶縁材 100…熱電変換素子 500,700…熱電変換モジュール。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
シリコンを含有する複数のp型の熱電変換素子とシリコンを含有する複数のn型の熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置し、
該交互に並べて配置した複数の前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電変換素子との間の接合部にアルミニウムを主成分とする接合金属材料を挟んで前記接合金属材料と前記p型の熱電変換素子との間及び前記接合金属材料と前記n型の熱電変換素子との間に前記アルミニウム中に前記シリコンを含む前記熱電変換素子の成分が含まれて前記接合部に発生する応力を緩和する作用を有する複数の合金層が形成された状態で接合して複数の前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電変換素子とを電気的に直列に接続し、
前記電気的に直列に接続した複数の前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電変換
素子との前記高温側の面と前記低温側の面とを熱伝導性が良い絶縁材で覆う
ことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。 A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, comprising:
A plurality of p-type thermoelectric conversion elements containing silicon and a plurality of n-type thermoelectric conversion elements containing silicon are alternately arranged with the high-temperature side surface and the low-temperature side surface aligned,
The bonding metal material and the bonding metal material having aluminum as a main component sandwiched between bonding portions between the plurality of p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements arranged alternately. A component of the thermoelectric conversion element including silicon is contained in the aluminum between the p-type thermoelectric conversion element and between the bonding metal material and the n-type thermoelectric conversion element, and is generated at the junction. A plurality of the p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements are connected in series in a state where a plurality of alloy layers having an action of relaxing stress are formed,
The high-temperature-side surfaces and the low-temperature-side surfaces of the plurality of p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements that are electrically connected in series are insulating materials having good thermal conductivity. A method of manufacturing a thermoelectric conversion module, characterized by covering.
金属ケースに取り付けられており、複数の前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電
変換素子との前記高温側の面と前記低温側の面とを前記熱伝導性が良い絶縁材で覆うこと
が、前記金属ケースに取り付けられた前記熱伝導性が良い絶縁材で覆うことであり、複数
の前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電変換素子との前記高温側の面と前記低温
側の面とは、接触により前記熱伝導性が良い絶縁材と接続していることを特徴とする熱電
変換モジュールの製造方法。 2. The method of manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1 , wherein the insulating material having good thermal conductivity is attached to a metal case, and the plurality of p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversions. Covering the surface on the high temperature side and the surface on the low temperature side of the element with the insulating material with good thermal conductivity is covering with the insulating material with good thermal conductivity attached to the metal case, The high temperature side surface and the low temperature side surface of the plurality of p-type thermoelectric conversion elements and the plurality of n-type thermoelectric conversion elements are connected to the insulating material having good thermal conductivity by contact. The manufacturing method of the thermoelectric conversion module characterized by the above-mentioned.
記n型の熱電変換素子とを電気的に直列に接続することを、アルミニウム又はアルミニウ
ム合金を加熱溶融させて前記p型の熱電変換素子及び前記n型の熱電変換素子との間に複数
の合金層を形成して互いに電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール
の製造方法。 2. The method of manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1 , wherein the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element are electrically connected in series by heating aluminum or an aluminum alloy. A method of manufacturing a thermoelectric conversion module, wherein a plurality of alloy layers are formed between the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element and electrically connected to each other.
前記p型の熱電変換素子と複数の前記n型の熱電変換素子との前記高温側の面と前記低温側
の面とに金属箔を供給し、この金属箔を加熱して溶融させて形成したものであることを特
徴とする熱電変換モジュールの製造方法。 2. The method of manufacturing a thermoelectric conversion module according to claim 1 , wherein the bonding metal material includes a plurality of the p-type thermoelectric conversion elements and a plurality of the n-type thermoelectric conversion elements on the high temperature side surface and the low temperature. A method for producing a thermoelectric conversion module, comprising: forming a metal foil on a side surface and heating and melting the metal foil.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012193838A JP6115047B2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012193838A JP6115047B2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014049713A JP2014049713A (en) | 2014-03-17 |
JP6115047B2 true JP6115047B2 (en) | 2017-04-19 |
Family
ID=50609049
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012193838A Active JP6115047B2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6115047B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6665464B2 (en) * | 2015-09-25 | 2020-03-13 | Tdk株式会社 | Thin film thermoelectric element |
NL2020545B1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-13 | Rgs Dev B V | Thermoelectric conversion device |
JP7151278B2 (en) * | 2018-08-29 | 2022-10-12 | マツダ株式会社 | Power semiconductor device and its manufacturing method |
WO2021131408A1 (en) * | 2019-12-25 | 2021-07-01 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion module, joining material, and method for manufacturing thermoelectric conversion element |
Family Cites Families (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06342940A (en) * | 1993-05-31 | 1994-12-13 | Mitsubishi Materials Corp | Thermoelectric generator and manufacture thereof |
JPH08148726A (en) * | 1994-09-22 | 1996-06-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Thermoelectric conversion element and its manufacture |
JPH09172204A (en) * | 1995-12-19 | 1997-06-30 | Ngk Insulators Ltd | Thermoelectric conversion apparatus and thermoelectric its manufacture |
JPH09214005A (en) * | 1996-01-30 | 1997-08-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Thermoelectric transducer |
JPH1084140A (en) * | 1996-09-05 | 1998-03-31 | Ngk Insulators Ltd | Thermo-electric converter and manufacture thereof |
JP3724133B2 (en) * | 1997-08-26 | 2005-12-07 | 松下電工株式会社 | Method for manufacturing thermoelectric conversion module |
JP2000156529A (en) * | 1998-09-16 | 2000-06-06 | Tokyo Gas Co Ltd | Method for joining thermoelectric conversion material to electrode and thermoelectric conversion element |
JP2000100751A (en) * | 1998-09-25 | 2000-04-07 | Sanyo Electric Co Ltd | Electrode structure, thermoelectric element using the same, and manufacture thereof |
JP2000271769A (en) * | 1999-03-29 | 2000-10-03 | Sanyo Electric Co Ltd | Welding method, production of electrode structure with the method, electrode structure and production of thermo-element and thermo-element |
JP2001189497A (en) * | 1999-12-28 | 2001-07-10 | Sumitomo Special Metals Co Ltd | Thermoelectric conversion element and manufacturing method therefor |
JP2001217469A (en) * | 2000-02-04 | 2001-08-10 | Sumitomo Special Metals Co Ltd | Thermoelectric conversion element and its manufacturing method |
JP2003309294A (en) * | 2002-02-12 | 2003-10-31 | Komatsu Ltd | Thermoelectric module |
JP2004087766A (en) * | 2002-08-27 | 2004-03-18 | Zaiken:Kk | Electrostatic chuck |
EP1780808A4 (en) * | 2004-06-22 | 2010-02-10 | Aruze Corp | Thermoelectric device |
JP2008300465A (en) * | 2007-05-30 | 2008-12-11 | Showa Denko Kk | Bonding method of thermoelectric element and electrode and manufacturing method of thermoelectric module |
JP5360072B2 (en) * | 2008-12-26 | 2013-12-04 | 富士通株式会社 | Method for manufacturing thermoelectric conversion element |
EP2383809A1 (en) * | 2009-01-21 | 2011-11-02 | Central Research Institute of Electric Power Industry | Packaged thermoelectric conversion module |
JP5537202B2 (en) * | 2010-03-23 | 2014-07-02 | 京セラ株式会社 | Thermoelectric conversion module |
JP5671258B2 (en) * | 2010-05-26 | 2015-02-18 | 古河機械金属株式会社 | Thermoelectric conversion module |
-
2012
- 2012-09-04 JP JP2012193838A patent/JP6115047B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014049713A (en) | 2014-03-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5931657B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
US9601679B2 (en) | Thermoelectric module and method of manufacturing the same | |
JP6094136B2 (en) | Thermoelectric conversion element assembly, thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
EP2377175B1 (en) | Method for fabricating thermoelectric device | |
US8513806B2 (en) | Laminated high melting point soldering layer formed by TLP bonding and fabrication method for the same, and semiconductor device | |
WO2007105361A1 (en) | Electronic component module | |
JP2007110082A (en) | Thermoelectric converter and method for manufacturing same | |
JP6115047B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
JP4850083B2 (en) | Thermoelectric conversion module, power generation device and cooling device using the same | |
WO2017098863A1 (en) | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing same | |
TWI492429B (en) | Multi-layer thermoelectric module and fabrication method thereof | |
JP2003309294A (en) | Thermoelectric module | |
EP2541593B1 (en) | Laminated high melting point soldering layer | |
EP2660888A1 (en) | Thermoelectric conversion member | |
JP2007109942A (en) | Thermoelectric module and manufacturing method thereof | |
JP4873888B2 (en) | Thermoelectric conversion module, and power generation device and cooling device using the same | |
WO2015133430A1 (en) | Thermoelectric conversion module | |
JP2017143111A (en) | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing the same | |
JP6010941B2 (en) | Thermoelectric conversion module with airtight case | |
JP2003282972A (en) | Thermoelectric element | |
JP4917375B2 (en) | Power semiconductor module manufacturing method | |
JP2004235367A (en) | Thermoelectric module | |
JP6160740B2 (en) | Thermoelectric conversion module and manufacturing method thereof | |
WO2017130461A1 (en) | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing same | |
JP2006237547A (en) | Thermoelectric conversion module, power generator and cooler using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150130 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20151030 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20151117 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160115 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160705 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160831 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170221 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170306 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6115047 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |